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「ちきゅう」2010年度の研究航海概要を公開 南海トラフで地震断層への超深度ライザー掘削、沖縄で海底下生命圏掘削を実施
6月 9th
プレスリリース＜JAMSTECについて＜独立行政法人海洋研究開発機構.
7月15日〜8月8日 南海トラフ地震発生帯掘削計画 （NanTroSEIZE: Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment）
（IODP第326次研究航海）9月1日〜10月3日 沖縄熱水海底下生命圏掘削-1 （DEEP HOT BIOSPHERE）
（IODP第331次研究航海）10月25日〜12月12日 南海トラフ地震発生帯掘削計画 ステージ2
（IODP第332次研究航海）12月13日〜平成23年1月10日 南海トラフ地震発生帯掘削計画 ステージ2
（IODP第333次研究航海）
地球深部掘削船「ちきゅう」
6月8日、JAMSTEC（海洋研究開発機構）から地球深部掘削船「ちきゅう」の平成22年度研究航海の概要説明会が行われた。今年度は、4回の研究航海が行われる。第326次、第332次、第333次の研究航海では地震関連の調査を目的とした南海掘削を行い、第331次研究航海では、海底下の微生物圏を調べる沖縄熱水海底下生命圏掘削を行う計画だ。
まずCDEX（地球深部探査センター）センター長の東恒氏が全体概要を解説した。「ちきゅう」は今年で5年目で、定期検査を受けているところだ。いまは三菱重工業・本牧工場のドックから離れて最終的なチェックを受けている段階だという。
「ちきゅう」は「統合国際深海掘削計画（IODP）」によって運用されている船である。IODPは日米主導のもと、ヨーロッパ、中国、韓国、オーストラリア、インド、ニュージーランドを含む世界24カ国が参画している共同プロジェクトだ。地球環境変動、地球内部ダイナミクス、地殻内生命圏などの最先端科学の推進を目的としている。「ちきゅう」のほか、アメリカが運行する掘削船「ジョイデス・レゾリューション」、ESOが運用する「特定任務掘削船（ＭＳＰ）」を研究プラットフォームとし、得られたデータ、および掘削で得たコア資料の管理を行っている。運用する３つのプラットフォームを使い分けることで、海洋全体を調査している。
深海を掘れる最新鋭のライザー掘削船である「ちきゅう」には特に、プレート境界面を直接調べることで震源領域の破壊メカニズムを解明するための巨大震源の震源域の直接観測、過去の地球環境変動を高精度に復元する地球環境変動史の解明、原始地球に酷似した環境の生物を調査することで地球生命誕生と進化の謎に迫る地下生物圏の探査、海洋地殻マントルの組成、物性を調べ、地球の起源やマントルの対流現象などに対する画期的発見を目指す未踏のマントル掘削をミッションとしている。現在の地球、未来の地球を理解することが「ちきゅう」の目的だ。
なお「南海トラフ地震発生帯掘削計画（NanTroSEIZE：Nankai Trough Seismogenic Zone Experiment）」では、これまでステージ１、ステージ２と2回の掘削が行われてきており、その成果は今も研究が進行中である。7月15日から始まる第３２６次研究航海では超深度ライザー掘削に着手し、10月から行われる第332次研究航海では長期孔内計測装置を設置、第333次研究航海では沈み込み前物質採取・熱流量測定を行う。沖縄では9月1日から10月3日に４つのサイト（プラス予備サイト）で掘削を行う計画だ。
南海トラフ地震発生帯掘削計画 調査海域図
地震の中心「アスペリティ」を目指し海底下７ｋｍへの掘削を実施へ
続けてJAMSTEC地球内部ダイナミクス領域の木下正高氏が南海トラフでの地震発生帯掘削計画について詳細を述べた。木下氏はまず海溝型巨大地震の古典的モデルと近代的モデルについて解説した。プレートの沈み込みによる圧縮でやがて地震が起こるという古典的モデルについては多くの人が御存知のとおりだが、現在のモデルでは固着している部分が「アスペリティ」と呼ばれ、地震のときに一気に滑ると考えられている。この「アスペリティ」を直接見ることが研究掘削の目的だ。そのためには「アスペリティ」がここにあるはっきり分かっている部分が掘削対象にはのぞましい。南海トラフは将来地震が起こる可能性も高く、最適の場所の一つである。
南海トラフ地震発生帯掘削計画
掘削の目的は、掘らないと分からないことを調べる、その場所でしか分からないデータを取ることにつきる。つまり断層部分、基底岩、沈み込む前の堆積物などをとる、その物性を調べることなどを目的として掘削が行われている。
「ちきゅう」は2007年から掘削を行っているわけだが、ステージ１、２ではまず浅い孔を掘った。そして最初のライザー掘削で、固着面の上盤を調べた。そして今年はいよいよ固着域そのものを調べるために海底下７ｋｍへの到達を目指し、計測機器の設置を目指す。
南海トラフ地震発生帯掘削計画 3D高精度地震探査による掘削海域の海底地形と海底下構造
南海トラフ地震発生帯掘削計画 概要図
ここで木下氏はステージ１、２それぞれの成果をざっと紹介した。
ステージ１では付加体の応力場を調べた。フィリピン海プレートが陸側のプレートを押しているわけだから、圧縮が起きていると考えられる。では実際どうなっているのか、応力場を計測した。そうすると、だいたい予想どおりだったのだが、一部では逆に伸張場があることが分かった。また、堆積物は沈み込みながら付加していく。その付加体の年代を決定した。
さらに二つの地震断層、すなわち「デコルマ（沈み込み帯境界）」と「分岐断層」との出口をそれぞれ調べ、断層面を貫いて掘削することに成功。シャープなミリオーダーの断層面を調べることができた。そこでは断層を境に年代が逆転していた。つまり深いところにあったものが持ち上がる、せり上がり断層として活動しているということが分かったわけだ。また断層面がシャープであることから、非常に活動的で最近まで活動していると考えられた。
断層上には地すべりによる斜面堆積物がある。それを調べることで活動の履歴が分かる。掘削によって年代軸が出たので、それをもとに復元したところ、195万年前に断層が活動しはじめ、いったん止まり、１５５万年前に活動を始めた、つまり間歇的に活動して今に至ったということが分かったという。
ステージ２では、何がわかったか。こちらは昨年掘ったばかりなのでまだ研究中だが、四国海盆への火山物質の供給があること、西南日本からの堆積物が供給されていることが分かった。最大の成果は、 1900万年前の基盤岩が得られたことだった。地震発生の準備過程ではひずみがどれだけたまりつつあるかということ、上盤で水平圧縮がどうなっているかも調べたところ、ステージ１で分かった一部の水平拡大している部分以外はやはり圧縮されていることが分かった。また沈み込む前の初期物質も採取した。
これまでの南海掘削成果のまとめ
今年度の掘削の目的は３つある。第３２６次研究航海では超深度ライザー掘削によって、巨大地震発生帯を目指す。以前設置した温度・圧力計の回収と、長期コウナイ計測装置を設置する。３３３次航海では、沈み込み直前の玄武がんをもっと取る、また表層堆積物の測定を行う。
記者会見には東大教授の木村学氏も出席。「オールジャパン体制で地震発生帯そのものを採取し、孔をつかって観測することで地震予知へと繋げたい」と述べた。
なお2013年の初頭にはアスペリティ（固着域）に到達する計画だ。
ライザー掘削とライザーレス掘削のシステム
ライザー掘削孔のターゲット
ライザー掘削孔のターゲット
「海底下の大河」の「河口」を掘削し、世界初の人工熱水噴出孔を作る
沖縄熱水海底下の掘削計画については高井研氏が説明した。1993年、デミングとバロスという二人の研究者は海底熱水噴出孔には多くの生物がいるだろうと予測した。高井氏はこの仮説を引き継いで研究している（本誌の以前の記事「JAMSTEC、最古の「持続的生命」の起源を探るプレカンブリアンエコシステムラボラトリーユニットの研究概要を発表」も合わせてお読み頂きたい）。地球最大の生命圏が海底の下に眠っているという。いっぽう、生存可能条件で見ると、海底下生命圏の大部分の微生物は、境界領域に存在する「ギリギリ生命」だ。その誰もまだ確認したことがない熱水噴出孔直下の生命圏を、直接掘って調べようというのが今回の研究の目標である。
米国の研究者が中心となって唱えている仮説に、海底下に海があるという説がある。太平洋の下に海のような水の広がった空間があるという仮説だ。いっぽう高井氏らは、これに対して「海底下の大河」という説を提唱している。水が通りやすいところとそうでないところがあるので、このほうがいいという。
大河というのは比喩ではなく、実際に河があると考えている。陸上の河川は多くの栄養分を浸食によって運び、河口域で豊かな生態系を育む。それと同様に、「海底下の大河」も海底下の間隙を通っていくうちに、様々な有機物を運んでいると考えているという。
今回の研究は、その「海底下の河」を実際に掘削する第一歩となるものだ。高井氏らは、硫黄、メタン、水素、鉄と４つの栄養源からなる「大河」を考えているが、今回の掘削のターゲットである沖縄海底熱水鉱床はメタンが豊富な「メタンの大河」だと考えられているという。また今回の掘削では熱水鉱床近くを掘るが、将来的には30km西側あたりから流れ込んで来ており，ヒートソースとしての熱水鉱床を上がって来ていると考えているその河の全容を上流から下流まで掘ろうと思っているそうだ。
掘削ターゲットの伊平屋北フィールド
「河口域」に相当すると考えている今回の掘削においては、熱水が吹いている硫化物のマウンド部分を掘る。「マウンドのなかにはわんさか微生物がいるはず」だという。そして、掘削後にはステンレス製のケーシング（管）を埋めて世界初の人工熱水噴出孔にする。一回掘ったところにどのように生物が集まってきてコロニーを作るのかも今後は調べて行く計画だ。同時に、JAMSTECの「なつしま」と「ハイパードルフィン」を使って、掘削直後の映像をおさめる予定だ。
なお普通の掘削では「ガイドベース」を海底面に設置してドリルビットを誘導するが、マウンドは面積がないので、直掘するしかない。本当はチタン製にしたかったというステンレス製のケーシングはパイプのなかに海水が逆流するようなことがなければ、硫酸カルシウムの沈殿が起きることもなく、１０年くらいは保つと考えられるそうだ。高井氏らは人工熱水噴出孔で観測を行いながら、「海底下の大河」の全容の解明を進める。
沖縄熱水海底下生命圏掘削 調査海域図
沖縄熱水海底下生命圏掘削 3D高精度地震探査による掘削海域の海底地形と海底下構造
会見での質問は微生物生態系の高井氏に集中し、記者たちの注目の高さが感じられた。
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丹沢では新たな大陸地殻が形成されている 大陸地殻成長過程での「島弧−島弧衝突帯」の役割が明らかに JAMSTEC
3月 5th
丹沢複合深成岩体の位置と本研究で得られたジルコン・ウラン−鉛加重平均年代 （Kawate and Arima 1998の地質図に基づく） 岩体内の広範囲で試料採取し年代測定を行った結果、丹沢複合深成岩体の大部分は今から約500〜400万年前に形成されたことがわかった。これは丹沢地塊の衝突開始時期（約700万年前）よりも後であり、岩体を形成したマグマが衝突に伴って発生したことを示す。
プレスリリース＜JAMSTECについて＜独立行政法人海洋研究開発機構.
独立行政法人海洋研究開発機構（JAMSTEC）地球内部ダイナミクス領域の谷健一郎技術研究副主任らは、大学共同利用機関法人情報・システム研究機構国立極地研究所などと共同で、若い島孤地殻の形成年代を高精度に測定する手法を開発し、その代表例である「伊豆衝突帯」の「丹沢複合深成岩体」の年代測定に成功した。測定の結果、衝突の過程で新たにマグマ活動が起こって大陸地殻組成が進化していく過程を現世の衝突帯で初めて解明したという。
今回の成果で、島弧同士の衝突が大陸地殻の成長に重要な役割を果たしていることが明らかになった。島弧−島弧衝突帯における大陸地殻の成長過程を明らかにしたこの成果は、同様の島弧−島弧衝突が頻繁に起こっていたとされる地球創成期の大陸成長過程を解明する上で重要な鍵となるとしている。アメリカ地質学会発行の「Geology」誌に掲載される。
現在の地球表層は、主に花崗岩からなる大陸地殻と玄武岩からなる海洋地殻によって覆われている。だが誕生初期の地球表層は大部分が海洋地殻で覆われていた。そして海洋地殻が地球深部へと沈み込む「沈み込み帯」である「島弧（とうこ）」で、徐々に大陸地殻が形成されて、現在のような姿に成長してきたと考えられている。
島弧で形成された地殻が巨大な大陸までに発達するためには、島弧同士が衝突して合体する過程を繰り返す必要がある。地球創成期にはこのような衝突が頻繁に起こっていたと考えられている。だがこれまでその実態はわかっていなかった。
これまでのJAMSTECの研究で、「伊豆・小笠原弧」のような、海洋地殻が別の海洋地殻の下に沈み込むことで形成された「海洋性島弧」では、現在も地下深部で大陸地殻が誕生していることが明らかになりつつある。また「伊豆・小笠原弧」の北端は、フィリピン海プレートの北上と共に本州弧と衝突しており（伊豆衝突帯）、世界で唯一、現在進行形で「島弧−島弧衝突」が起こっている場所だと考えられている。
つまり「伊豆・小笠原弧」および「伊豆衝突帯」は、地球創成期に起こった大陸地殻の形成過程と、島弧同士の衝突によって大陸が成長していく過程を同時に研究できる貴重な研究フィールドだと考えられている。中でも、地表に露出している「丹沢複合深成岩体（伊豆衝突帯内の神奈川県丹沢山地南部に露出している花崗岩質岩体）」は大陸地殻成長過程を解明する上で重要な鍵を握っている。
主に花崗岩からなる丹沢複合深成岩体は、これまで様々な研究が行われてきた結果、伊豆・小笠原弧の深部花崗岩質地質が衝突に伴って隆起・露出したものだとされてきた。だが若い地殻岩石の形成年代を測定するのは従来の分析手法では困難でり、いつ、どのように形成されていったかなど形成過程が解っていなかった。
研究グループは国立極地研究所の高感度高分解能イオンマイクロプローブ（SHRIMP-II）を使って、丹沢複合深成岩体の花崗岩・ハンレイ岩に含まれるジルコンを使ったウラン−鉛年代測定を行った。
ジルコンは放射性核種であるウランに富んだ鉱物で、ウランが時間の経過と共に放射壊変して生じる鉛の同位体比を精密に分析することで、そのジルコンを含んだ岩石の形成年代を測定する手法。高感度高分解能イオンマイクロプローブ（SHRIMP‐II）を用いることでジルコン結晶上の半径数十ミクロンの領域での年代を測定することができる。
ジルコン・ウラン−鉛年代測定法は他の年代測定法と比べて、花崗岩のような地殻岩石の形成年代をより正確・精密に年代決定できる。今回の研究では分析手法や試料調整法を改良することで、より若い、数百万年前に形成された岩石の年代測定が可能となった。また丹沢複合深成岩体のマグマ生成環境を明らかにするために、レーザーアブレーション誘導結合プラズマ質量分析計（LA-ICP-MS）を使って、丹沢複合深成岩体のジルコン結晶の微量元素組成分析を行った。
その年代測定結果から、丹沢複合深成岩体の大部分は伊豆・小笠原弧が本州弧に衝突した後の500万年前から400万年前のマグマ活動によって形成されたことが明らかになった。これは丹沢が従来考えられていたような「伊豆・小笠原弧」の深部地殻断面が衝突によって隆起・露出したものではなく、島弧同士の衝突によってマグマが発生して新たに花崗岩質地殻が形成され、大陸が成長していることを示している。
さらに今回の結果から丹沢複合深成岩体の冷却速度を計算すると、マグマ形成後に最高で100万年の間に約660℃ の温度低下という急速な冷却が起こっていたがわかった。これは深成岩としては世界的にみても非常に早い冷却速度であり、衝突に伴って花崗岩質マグマが形成された後、マグマが急速に上昇・固結したことを物語っている。
丹沢複合深成岩体周辺の堆積岩は約700万年前に本州弧に衝突を開始した伊豆・小笠原弧のブロック（丹沢地塊）だとされているので、衝突開始後わずか200〜300万年の間に花崗岩質マグマが発生して上昇・固結したことになる。この結果から、島弧−島弧衝突帯における地殻の成長速度が非常に早いことが分かった。
またジルコンの微量元素組成分析から、丹沢複合深成岩体を形成したマグマの原料には伊豆・小笠原弧の地殻物質に加えて、大陸地殻からなる本州弧由来の堆積物の影響もあることが判明した。このことは島弧−島弧衝突帯における新たなマグマ活動によって伊豆・小笠原弧で形成された島孤地殻が改変され、大陸地殻的な特徴をもった花崗岩質マグマが発生し、大陸地殻組成が進化していることを示す。
伊豆衝突帯の南北断面図（モデル）
今回の結果は、丹沢山地は地球創成期と似た島弧−島弧衝突によって現在大陸が成長している現場であることを示しているもので、地球上の他の衝突帯における大陸成長過程を解明する上で今後重要な比較対象になると考えられるという。
またJAMSTECでは、地球深部探査船「ちきゅう」による「伊豆・小笠原島弧」地殻の超深度掘削を提案している。実現すれば既存の大陸地殻の影響がない、現在成長しつつある花崗岩質地殻を直接採取できる。このような出来たばかりの島弧地殻と丹沢複合深成岩体のような島弧−島弧衝突帯で成長した地殻を比較して研究することで、地球創世期における大陸地殻成長過程の全容を明らかにできると期待されるという。
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